深水換能器現(xiàn)狀及展望

1、深水換能器現(xiàn)狀及展望黃威1朱輝慶2傅寅鋒3（1.海軍駐上海滬東中華造船集團(tuán)有限公司軍事代表室上海200129）(2.海軍駐杭州地區(qū)軍事代表室，杭州，310023)（3.海軍駐上海地區(qū)水聲導(dǎo)航系統(tǒng)軍事代表室，上海，201108）摘要國家近年來加強(qiáng)了對(duì)深海聲學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用研究，而深水水聲換能器為深?？茖W(xué)研究提供技術(shù)支撐。為了對(duì)深水換能器的材料特性、耐壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、在深水環(huán)境下發(fā)射性能和接收性能的測(cè)試手段能夠深入了解，特別介紹了美國及中國深水換能

2、器發(fā)展現(xiàn)狀，并提出開展耐高靜壓換能器有源材料、耐高靜壓水聲無源材料、換能器耐壓結(jié)構(gòu)和工藝、高靜水壓測(cè)量技術(shù)等方面的研究。關(guān)鍵詞深水換能器；高壓測(cè)試系統(tǒng)；水聲無源材料；綜述等，此外也有一些特殊設(shè)計(jì)，如美國專利5172344[1]中描述的一種換能器，其耐壓殼體的前蓋后蓋之間用剛性框架連接、諧振塊（后蓋板）和陶瓷堆通過螺桿固定在殼體后蓋上，諧振塊與殼體后蓋、剛性框架、前蓋組成的振動(dòng)系統(tǒng)，可激發(fā)出多種振動(dòng)模態(tài)，如圖1所示。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人

3、類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的迫切需求，深海探索研究和開發(fā)將是21世紀(jì)各國競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)領(lǐng)域，水聲技術(shù)是進(jìn)行海洋環(huán)境動(dòng)態(tài)變化的監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)、海洋氣候變化預(yù)測(cè)、海洋生物和礦產(chǎn)資源調(diào)查與評(píng)估、領(lǐng)土劃界和現(xiàn)代航海安全保障、深海工程等十分有效的手段之一。深海水聲技術(shù)作為深?？茖W(xué)研究和裝備發(fā)展的核心關(guān)鍵技術(shù)之一必將大力發(fā)展，而深水水聲換能器技術(shù)是十分重要的技術(shù)支撐。深水換能器包括發(fā)射換能器和接收水聽器，一般是由換能材料、無源聲學(xué)材料、結(jié)構(gòu)材料以及其它電氣構(gòu)件通過一

4、定的結(jié)構(gòu)組合形成的。換能器工作頻率從幾赫茲到數(shù)兆赫茲；工作水深從幾百米到幾千米，最大水深可達(dá)10000m以上。靜水壓力會(huì)使換能器材料的機(jī)電性能、無源材料的聲學(xué)和力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)力應(yīng)變特性、電氣構(gòu)件的電氣特性發(fā)生變化，不同靜水壓力下水聲換能器會(huì)有不同的電聲性能。設(shè)計(jì)和研制深水換能器的關(guān)鍵是：耐高靜水壓條件下的材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝、仿真與測(cè)試。在優(yōu)化仿真換能器電聲和力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，綜合考慮材料、工藝、結(jié)構(gòu)和測(cè)試性等因數(shù)，才能保證

5、設(shè)計(jì)和研制的換能器性能在靜壓力下的變化在總體允許的范圍內(nèi)。圖1美國專利5172344結(jié)構(gòu)圖美國專利5431058[2]通過在IV型彎張換能器的陶瓷堆之間增加彈性單元使其可在深水工作，彈性材料具有低靜態(tài)剛性和高動(dòng)態(tài)剛性，來避免深水工作時(shí)外殼的應(yīng)力釋放同時(shí)又能將陶瓷堆振動(dòng)傳遞到外殼，如圖2所示。1國外發(fā)展情況從換能器耐壓結(jié)構(gòu)上劃分，主要有兩類，一類是利用換能器耐壓外殼或壓電陶瓷自身承壓，由于耐壓外殼及去耦材料自身的承壓限制，此種方式存在一定

6、的深度限制，一般工作深度在1000m以內(nèi)。典型的例子如球形換能器水聽器，利用陶瓷球自身的壁厚承壓，或者剛性外殼密封的縱振換能器圖2美國專利5431058結(jié)構(gòu)圖45黃威等：深水換能器現(xiàn)狀及展望船之間的語音和數(shù)據(jù)通信。通信系統(tǒng)的換能器工作頻段為7~15kHz，最大聲源級(jí)≥195dB，波束寬度約80，工作水深可達(dá)7000m，如圖6所示。力，通過液腔振動(dòng)和圓環(huán)徑向振動(dòng)形成兩個(gè)諧振峰，可實(shí)現(xiàn)多模寬帶工作，一般工作在1~10kHz范圍。國內(nèi)現(xiàn)有深水

7、換能器工作頻段多集中在10kHz附近，在低頻和高頻則少見報(bào)道。耐高靜水壓力主要依靠充油等措施實(shí)現(xiàn)，相對(duì)較為單一，在相關(guān)的耐高靜壓無源材料、高靜壓測(cè)試手段等方面缺少研究。3需研究的內(nèi)容3.1加強(qiáng)耐高靜壓換能器有源材料研究換能器有源材料包括壓電陶瓷、壓電單晶、壓電聚合物、壓電復(fù)合材料、磁致伸縮材料、光纖光柵等。在高靜態(tài)壓力作用下，壓電陶瓷（單晶）的電疇取向或壓磁材料的磁疇取向可能發(fā)生變化，從而使壓電（壓磁）常數(shù)、介電常數(shù)（磁導(dǎo)率）發(fā)生變化。

8、要想獲得大深度下穩(wěn)定工作的換能器，有源材料的穩(wěn)定性至關(guān)重要。3.2加強(qiáng)耐高靜壓水聲無源材料研究水聲無源材料是水聲換能器及基陣不可或缺的一部分，無源材料的作用主要有透聲材料、去耦材料、背襯材料、反聲材料等。換能器性能穩(wěn)定和可靠與無源材料的力學(xué)特性、電氣特性和聲學(xué)特性密不可分，要求材料隨頻段、時(shí)間、溫度、壓力、鹽度、光照等的變化盡可能小。目前用于換能器水密的透聲材料多采用硫化橡膠（或聚氨酯橡膠），基本可滿足壓力穩(wěn)定性的要求，但在溫度穩(wěn)定性上

9、需要進(jìn)一步提高；而去耦材料、背襯材料則存在高靜壓下變形、失效的問題，需要將材料和應(yīng)用相結(jié)合，加強(qiáng)材料、結(jié)構(gòu)、工藝、建模和檢測(cè)方法等多方面研究，突破國內(nèi)聲學(xué)材料長期以來一直以均勻材料設(shè)計(jì)為主的模式，拓展聲學(xué)材料構(gòu)件的品種、范圍，在聲學(xué)材料構(gòu)件、復(fù)合耐壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工成型工藝研究方面突破關(guān)鍵技術(shù)。3.3加強(qiáng)換能器耐壓結(jié)構(gòu)和工藝研究目前常見的解決換能器耐壓?jiǎn)栴}的方案是充油（硅油、蓖麻油等），利用硅油的不可壓縮性，隨著外界壓力的升高內(nèi)部硅油受壓

10、產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)壓，達(dá)到內(nèi)外壓力平衡。充油方式對(duì)于中低頻換能器性能影響較小，但對(duì)于頻率較高的換能器則存在損耗較大、聲學(xué)性能降低的問題。應(yīng)加強(qiáng)材料、結(jié)構(gòu)、工藝、建模等多方面研究，突破聲學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、復(fù)合耐壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝等關(guān)鍵技術(shù)，提高換能器電聲學(xué)參數(shù)隨溫度、壓力的穩(wěn)定性。圖67000m換能器(上)及發(fā)送電壓響應(yīng)圖(下)在定位系統(tǒng)、深水通信、聲學(xué)釋放器系統(tǒng)上應(yīng)用較廣的深水半空間換能器，國內(nèi)已有較為成熟的設(shè)計(jì)，其外形為一個(gè)圓柱狀的橡皮囊，在垂